碳化硼复合材料的制备及力学性能研究

论文摘要

碳化硼具有高硬度、高模量、耐磨性好、密度小、抗氧化性强、耐酸碱性强以及良好的中子吸收性能等特点,已应用于防弹材料、防辐射材料、耐磨和自润滑材料,耐酸碱侵蚀材料、切割研磨工具以及原子反应堆控制和屏蔽材料等领域。但是烧结困难和高脆性一直成为制约碳化硼广泛应用的主要障碍。本文通过原位反应引入TiB2颗粒增韧B4C陶瓷制备了致密化的TiB2/B4C复合材料；采用无压烧结工艺制备了Al8B4C7/B4C复合材料。利用X射线衍射(XRD)、金相显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)研究了碳化硼复合材料的相组成和显微组织结构,测试了碳化硼复合材料的力学性能,研究了碳化硼复合材料的致密化烧结机理与增韧机制。研究结果表明,TiO2、葡萄糖与B4C原位反应生成TiB2。TiB2/B4C复合材料的显微组织均匀致密,绝大部分孔洞已经闭合。添加TiO2能显著降低表观烧结活化能,25vol.%TiB2/B4C复合材料的表观烧结活化能降到纯B4C的37%。连续烧结到2150℃时,25vol%TiB2/B4C复合材料的相对密度为96%。2100℃等温烧结60min时,25vol.%TiB2/B4C复合材料的相对密度为98%。2150℃等温烧结60min时,25vol.%TiB2/B4C复合材料的相对密度最高,达到98.5%。随着TiO2含量增加,TiB2/B4C复合材料试样收缩率和质量损失增大,5vol.%TiB2/B4C复合材料的收缩率为13%、质量损失为10%。随着TiB2含量的增加,TiB2/B4C复合材料的硬度、弯曲强度和断裂韧性先升高后降低。含15vol.%TiB2的B4C复合材料具有最佳性能：维氏硬度为33GPa,弯曲强度为502MPa,断裂韧性为4.6MPam1/2。TiB2/B4C复合材料的增韧机制为：①热膨胀失配引致应力增韧；②微裂纹释放能量增韧；③TiB2晶粒对裂纹扩展的偏转和桥接作用；④TiB2晶粒抑制B4C晶粒长大的细晶作用。Al与B4C原位反应生成三元化合物Al8B4C7。Al8B4C7/B4C复合材料的相对密度、维氏硬度随Al含量增加而逐渐下降,断裂韧性随Al含量增加先上升后下降。Al含量为5wt%的Al8B4C7/B4C复合材料具有最佳性能：相对密度为98.5%、维氏硬度为39GPa、断裂韧性为6.2MPam1/2。Al8B4C7/B4C复合材料的增韧机制为Al与B4C晶粒之间金属弱界面的应力松弛与裂纹钝化作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳化硼的结构、性能与应用
• 1.2.1 碳化硼的结构
• 1.2.2 碳化硼的性能
• 1.2.3 碳化硼的应用
• 1.3 碳化硼的致密化烧结
• 1.3.1 纯碳化硼的无压烧结
• 1.3.2 添加剂对致密化烧结的影响
• 1.3.3 颗粒尺寸对致密化烧结的影响
• 1.3.4 烧结温度对致密化烧结的影响
• 1.3.5 烧结压力对致密化烧结的影响
• 1.4 碳化硼复合材料的研究进展
• 1.5 研究目的、意义和主要内容
• 第2章 碳化硼复合材料的设计
• 2.1 致密化烧结
• 2.1.1 颗粒的烧结性
• 2.1.2 固相烧结
• 2.1.3 液相烧结
• 2.1.4 致密化烧结
• 2.2 凝聚态体系热力学
• 2.2.1 固相反应的方向性
• 2.2.2 热力学计算方法
• 2/B₄C复合材料设计'>2.3 TiB₂/B₄C复合材料设计
• 2.3.1 材料体系
• 2.3.2 热力学计算
• 2.3.3 烧结工艺确定
• 8B₄C₇/B₄C复合材料设计'>2.4 Al₈B₄C₇/B₄C复合材料设计
• 2.4.1 材料体系
• 2.4.2 热力学分析
• 2.4.3 烧结工艺确定
• 2.5 本章小结
• 第3章 实验材料与方法
• 2/B₄C复合材料制备'>3.1 TiB₂/B₄C复合材料制备
• 3.1.1 实验用材料
• 3.1.2 实验用设备
• 3.1.3 材料制备工艺
• 8B₄C₇/B₄C复合材料制备'>3.2 Al₈B₄C₇/B₄C复合材料制备
• 3.2.1 实验用材料
• 3.2.2 实验用设备
• 3.2.3 材料制备工艺
• 3.3 相与组织结构分析
• 3.3.1 XRD物相分析
• 3.3.2 金相观察
• 3.3.3 扫描电镜观察
• 3.4 性能测试
• 3.4.1 密度测定
• 3.4.2 硬度测试
• 3.4.3 弯曲强度测试
• 3.4.4 断裂韧性测试
• 3.5 本章小结
• 2/B₄C复合材料的结构和性能'>第4章 TiB₂/B₄C复合材料的结构和性能
• 4.1 相组成
• 4.1.1 样品形貌
• 4.1.2 相组成
• 4.2 显微组织结构
• 4.3 烧结影响因素
• 4.3.1 连续烧结
• 4.3.2 等温烧结
• 4.3.3 成分影响
• 4.3.4 致密化烧结机理
• 4.4 性能
• 4.4.1 硬度
• 4.4.2 弯曲强度
• 4.4.3 断裂韧性
• 4.4.4 增韧机理
• 4.5 本章小结
• 8B₄C₇/B₄C复合材料的结构和性能'>第5章 Al₈B₄C₇/B₄C复合材料的结构和性能
• 5.1 相组成
• 5.1.1 球磨混粉的相组成
• 5.1.2 复合材料的相组成
• 5.2 显微组织结构
• 5.2.1 球磨混粉的形貌
• 5.2.2 复合材料的形貌
• 5.3 性能
• 5.3.1 密度
• 5.3.2 硬度
• 5.3.3 断裂韧性
• 5.3.4 断口形貌
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢